0 引言

随着以物联网、工业互联网、移动互联网、云平台、大数据、人工智能为代表的信息技术不断与各行业深度融合并成为经济增长的新引擎，全球步入以智能制造为主导的时代，中国制定了“中国制造2025”发展战略并快速渗透到各行业。作为煤炭工业的重要环节，选煤厂顺应国家战略规划需求，从自动化、信息化向智能化方向发展[1]。

智能化选煤厂内涵[2]：以选煤智能装备和合理的选煤工艺为基础，以传感检测、物联网、工业互联网、移动互联网、云平台、大数据和人工智能等技术为手段，实现设备智能运行与运维、状态智能监测、过程智能控制、工艺参数智能设定、管理智能精细和决策智能调节的新模式与新业态，最终获得产品质量稳定、劳动强度低、作业人员数量少、经济效益高的多重目标。

本文在介绍智能化选煤厂架构的基础上，重点阐述了智能化选煤厂建设涉及的重介质分选过程智能化、浮选过程智能化、煤泥水健康保障系统智能化及选煤生产制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)智能化等关键技术。

1 智能化选煤厂架构

依据中国选煤厂组织架构和实际运行模式[3-4]，智能化选煤厂分为物联网层、控制层、管理层和决策层，如图1所示。

图1 智能化选煤厂架构
Fig.1 Framework of intelligent coal preparation plant

物联网层完成对选煤设备参数、选煤生产过程参数、选煤供电设备参数及视频信号的采集与传输，传输通过有线/无线4G/5G网络来实现。控制层完成设备的集中控制与过程优化控制，同时实现安全和环境监控。管理层主要实现选煤生产制造执行管理、选煤设备全生命周期管理、供电设备全生命周期管理及选煤信息安全管理等功能。决策层基于集团云平台、大数据和人工智能，实现选煤智能生产、智能管理和智能销售。

2 智能化选煤厂建设关键技术

2.1 重介质分选过程智能化

重介质分选过程涉及分选设备、脱水脱介设备、介质回收设备、固体物料运输设备、悬浮液运输设备(如合格介质桶、稀介质桶、煤泥桶)等，重介质分选过程智能化的核心是上述设备群智能化控制，具体包括以下方面：重介质旋流器入口压力闭环控制、重介质悬浮液密度宽域智能控制、重介质悬浮液密度设定值智能控制、重介质净化回收检测与优化控制。其中重介质旋流器入口压力闭环控制、重介质悬浮液密度智能控制目前基本上实现了工业性应用[5-7]；重介质净化回收检测与优化控制相对来说实现难度不大，且已取得一定进展；重介质悬浮液密度宽域智能控制、重介质悬浮液密度设定值智能控制是制约重介质分选过程智能化的重点和关键。

(1) 重介质悬浮液密度宽域智能控制。重介质悬浮液密度宽域智能控制主要实现煤质和工况波动条件下的密度自适应、大范围、智能化调整，涉及自动补水、自动分流、自动加介3个核心控制环节，由于设备空间距离的原因，形成了补水、分流和加介不同的延迟与惯性特性，需要形成不同控制策略要求。

重介质悬浮液密度宽域智能控制核心技术：① 重介质分选工艺优化。通过反分流工艺实现较高密度向较低密度大范围调整(调整幅度可达0.2～0.25 g/cm3)。② 智能控制算法优化。由简单的PID控制逐步过渡至预测控制、模糊控制和解耦控制等智能控制算法，满足重介质分选过程不同执行机构动作的需求。③ 煤泥含量优化控制。煤泥含量控制和分流控制存在较大的耦合特性，需要考虑控制算法的解耦效应。④ 桶位平衡优化控制。需要综合考虑桶位平衡、设备能力和容量限制，良好的桶位平衡优化控制可为密度控制创造良好的边界条件。⑤ 智能配煤。通过采用专家系统、智能分类等，实现配煤过程优化，最大幅度减小密度调整范围，为重介质悬浮液密度宽域智能控制创造条件。

(2) 重介质悬浮液密度设定值智能控制。重介质悬浮液密度设定值智能控制是保证产品质量的关键，其控制原理如图2所示。重介悬浮液密度设定值智能控制采用双闭环控制，内环是重介悬浮液密度宽域智能控制，外环以精煤灰分作为反馈，其与精煤灰分设定值的差值作为内环给定输入。

重介质悬浮液密度设定值智能控制核心技术：① 精煤灰分在线检测。目前灰分在线检测包括有源/无源灰分检测、同位素灰分检测、X射线灰分检测及多元素分析仪灰分检测等，高精度精煤灰分在线检测(检测精度≤0.2%灰分值)需要围绕检测装置安装位置、安装方式、检测方式与检测方法开展探索和研究。② 精煤统计过程控制(Statistical Process Control，SPC)。煤炭自身具有天然随机特性，精煤同样具有随机特性，因此对于产品质量指标，研究其统计特性更具有现实性和可操作性。③ 基于云架构的并行SPC统计分析。采用并行SPC统计分析技术可有效缩短灰分统计特性分析时间，同时对灰分检测历史数据的分析有助于灰分统计特性分析，为制定合理的灰分统计值提供支撑。④ 闭环控制智能算法。由于从原煤到精煤经过的路线长，各设备处理时间不同，导致悬浮液密度设定值控制具有明显的大惯性和大滞后特性，可采用预测控制、模糊控制、神经网络控制等智能算法。

图2 重介质悬浮液密度设定值智能控制原理
Fig.2 Intelligent control principle of density setting value of dense medium suspension

2.2 浮选过程智能化

浮选是选煤厂处理细煤泥分选的主要方法。浮选过程智能化的核心内容：浮选全过程参数实时检测、浮选药剂自动添加、浮选液位自动控制、浮选机充气量自动控制、基于浮选产品指标的浮选智能闭环控制、浮选药剂远程移动控制。其中浮选药剂自动添加随着精密计量蠕动泵、精密计量螺杆泵、精密计量隔膜泵的合理选型已进入工业性应用；浮选液位自动控制相对来说容易实现；浮选机充气量自动控制方面，压气式浮选机充气量更容易实现自动控制，吸气式浮选机充气量控制得到了初步应用；浮选药剂远程移动控制进行了试点应用[8-11]；基于产品指标的浮选智能闭环控制实现难度最大，其核心制约因素是浮选精煤灰分检测和尾煤灰分检测。基于产品指标的浮选智能闭环控制原理如图3所示。

基于产品指标的浮选智能闭环控制核心技术：① 浮选尾煤智能图像在线检测。通过浮选尾煤机器视觉系统分析浮选尾煤煤浆表面图像，提取图像特征，构建回归模型预测浮选尾煤灰分。② 浮选精煤灰分检测。采用软测量技术，即将可测量的辅助变量(浮选入料流量、入料浓度、药剂用量、尾煤灰分、浮选液位)作为输入，通过数据预测技术，实现浮选精煤灰分检测。③ 浮选泡沫智能分类。目前浮选泡沫图像研究更多集中于泡沫特征参数与精煤灰分的映射关系构建，但该研究成果尚未大规模进入工业应用阶段。而依据浮选泡沫分类结果对浮选药剂进行合理调整是一种可行的研究思路，目前已通过实验验证了其有效性，且更容易实现工业化应用。④ 浮选灰分智能闭环控制。浮选是一个典型的多输入多输出复杂流程，因此采用基于吨干煤泥量和液位、充气量专家规则的稳定控制作为控制内环，在充分考虑浮选药剂起效延时长的前提下，采用推断控制、预测控制和人工神经网络控制等智能算法实现浮选灰分智能闭环控制。

图3 基于产品指标的浮选智能闭环控制原理
Fig.3 Intelligent closed-loop control principle of flotation based on product index

2.3 煤泥水健康保障系统智能化

煤泥水健康保障系统主要包括浓缩和压滤2个过程：浓缩过程作用是保障清水洗煤，从而保证洗选效果、降低介质消耗；压滤过程作用是保证煤泥水分指标合格和煤泥处理负荷适配[12]。浓缩过程涉及絮凝剂和凝聚剂2种药剂添加，压滤过程涉及助滤剂添加。

煤泥水健康保障系统智能化核心技术：① 浓缩与压滤过程透明检测。通过采集浓缩机入料流量、入料浓度、溢流浓度、底流浓度、底流流量等实现浓缩过程透明检测，通过采集压滤机入料浓度、入料流量、压滤周期、滤饼水分等实现压滤过程透明检测。② 絮凝剂、凝聚剂和助滤剂自动制备与添加。目前絮凝剂、凝聚剂和助滤剂单机药剂自动制备已实现，而药剂添加一般依据经验手动添加，需要建立多变量闭环控制以实现药剂自动添加。③ 浓缩与压滤过程药剂协同添加。絮凝剂、凝聚剂和助滤剂协同添加是溢流水澄清、浓缩过程与压滤过程处理量负荷匹配、药剂消耗降低的重要保障，可采用神经网络、案例推理、深度学习等优化算法实现药剂协同添加，其技术框架如图4所示。④ 浓缩与压滤过程并行仿真。借鉴计算流体动力学进行浓缩和压滤过程仿真，可展现浓缩和压滤过程更多细节，有利于系统评价与优化。

图4 浓缩与压滤过程药剂协同添加技术框架
Fig.4 Technical framework for synergistic reagent addition in concentration and filtration process

2.4 选煤MES智能化

有序组织生产是智能化选煤厂追求的目标之一[13]，选煤MES智能化可改变传统选煤厂生产管理模式，实现选煤生产过程精准、智能管控。选煤MES智能化架构如图5所示。

选煤MES智能化核心技术：① 数据实时采集与存储。智能化选煤厂采集设备、工艺、安全、能耗、材料、煤质、视频等数据，并存储至实时数据库和历史数据库。② 数据标准化。数据是选煤MES的基础，需要根据选煤数据类型，结合数据标准化格式，建立比较完善的数据标准体系，既要保证数据标准化的精简，又要保证数据的可扩展性，为后续数据利用奠定基础。③ 选煤业务应用。选煤MES本质上是管理系统，因此遵循管理学基本原理和借鉴精益化管理精髓，同时结合选煤生产管理特点，形成适合选煤工业的MES管理框架与业务应用。④ 基于混合云的选煤MES远程服务。构建混合云架构，利用云平台、大数据、人工智能等技术，将选煤MES信息提交至公有云，借助远程管理专家团队和选煤专家团队，实现选煤MES持续改进、选煤管理流程再造和选煤管理智能化，提升管理的精益化程度和智能化水平。

3 结语

智能化选煤厂建设涵盖了选煤设备、选煤工艺、选煤过程控制与选煤管理决策等多个方面，融合了传感检测、物联网、工业互联网、移动互联网、云平台、大数据和人工智能等新一代信息技术的最新成果。智能化选煤厂建设的本质是实现选煤生产革命性变革和管理模式再造，智能化选煤厂建设将加快选煤供给侧结构性改革，推动选煤工业从劳动密集型行业转型升级为“高精尖”的技术密集型行业，实现选煤提质增效的目标，全面提升选煤工业的核心竞争力。

图5 选煤MES智能化架构
Fig.5 Framework of coal preparation MES intelligent

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